2021年9月美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）報道，其研究人員通過光束整形，實現(xiàn)了貝塞爾光束替代常見的高斯光束進行金屬構(gòu)件3D打印。他們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用貝塞爾光束能夠減少3D打印孔隙的形成和“匙孔”的發(fā)生（“匙孔”是激光粉末床熔融中的一種孔隙誘導(dǎo)現(xiàn)象，由于使用高斯光束而加?。?，從而能夠提高3D打印金屬結(jié)構(gòu)致密度及性能。

一、高斯光束與貝塞爾光束

該研究表明，由于高斯光束其振幅在橫截面內(nèi)為高斯分布，強度集中在軸線及附近、易發(fā)散，光斑形狀為帶束腰的不規(guī)則圓形，在3D打印過程中會導(dǎo)致很大的熱梯度以及復(fù)雜的熔池不穩(wěn)定性，產(chǎn)生鍵合（原子以“鍵”的方式聯(lián)在一起形成分子）現(xiàn)象，從而使成品部件的機械性能下降。

與高斯光束相比，貝塞爾光束在傳播方向垂直橫截面內(nèi)強度分布為一個中心光斑和若干個同心圓環(huán)，具有無衍射性、傳播時不會發(fā)散的特點，可以解決高斯光束無法控制材料周圍熱量沉積方式的問題，能夠?qū)⒉糠帜芰恐匦路峙涞竭h(yuǎn)離中心的位置，降低熱梯度、優(yōu)化熱輪廓和微觀結(jié)構(gòu)晶粒，從而生產(chǎn)出組織更優(yōu)、表面質(zhì)量更好的零件。

二、光束“整形”技術(shù)應(yīng)用研究

LLNL研究人員通過使激光穿過兩個錐形透鏡形成圓環(huán)形狀，再通過附加光學(xué)元件和掃描裝置在中心光束周圍形成“環(huán)”，從而實現(xiàn)對光束的整形。即，由高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)樨惾麪柟馐?。研究人員將該裝置安裝在商業(yè)3D打印機中，以不銹鋼粉末為原料打印成形立方體及其他形狀零件。

為了研究激光束整形后打印的效果，研究人員通過高速成像對熔池動態(tài)的觀察顯示，可大幅減少熔池湍流和“飛濺物”。在力學(xué)研究和模擬中，與傳統(tǒng)高斯光束相比，采用貝塞爾光束制造的零部件更致密、強度更高且拉伸性能更好。

研究人員模擬了高斯光束和貝塞爾光束光斑形狀與金屬粉末材料的相互作用。比較發(fā)現(xiàn)，貝塞爾光束比高斯光束表現(xiàn)出較小的熱梯度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)更好的能量分布，避免了高斯光束中“熱點”的產(chǎn)生，以得到更好的零件微觀結(jié)構(gòu)。

高斯和貝塞爾光束形狀的強度分布示意圖

結(jié)語

作為LLNL正在研究的提高3D打印金屬零件質(zhì)量的眾多途徑之一，光束整形是一種比其他途徑成本更低的選擇。一通過使用簡單的光學(xué)元件來降低設(shè)備的制造成本；二可以減少使用高斯光束制造零件所需的后處理技術(shù)的費用和時間。研究人員目前正在嘗試其他光束形狀設(shè)計方法，并與GE全球研發(fā)中心持續(xù)合作研究復(fù)雜激光束和偏振成形方法，以更好地控制金屬零件的打印質(zhì)量。光束整形是改進打印大型、高強度、無缺陷零件工藝質(zhì)量的可行方法，易于被集成到商用金屬3D打印系統(tǒng)中，且不會像其他替代技術(shù)那樣帶來重大的集成性問題。